Kältetechnik für die Wasserstoff-Infrastruktur

Elektrischer Strom oder Wasserstoff? Welcher Energieträger wird das Rennen machen in der Mobilität der Zukunft? Seit Herbst 2020 findet die Diskussion unter neuen Vorzeichen statt. Sowohl die Bundesregierung als auch die EU haben Milliardenprogramme verabschiedet, um die Wasserstoffwirtschaft und damit den Einstieg in nicht-fossile Kraftstoffe in Schwung zu bringen. Dabei geht es insbesondere um die nachhaltige zentrale Gewinnung und die flächendeckende, sektorenübergreifende Nutzung von „grünem“ Wasserstoff.

Ziel: Die Infrastruktur voranbringen

Die Initiativen und Programme zielen weniger auf die Forschung und Entwicklung, denn die wesentlichen Technologien sind bekannt und auch erprobt. Im Fokus steht der Aufbau einer Infrastruktur – von der Erzeugung über die Speicherung und Verteilung bis zur Bereitstellung.

Dass die Dinge hier vorangehen, zeigt das Konzept eines knapp 6.000 km langen, deutschlandweiten Pipeline-Netzes für Wasserstoff, das die Vereinigung der Fernleitungsnetzbetreiber Gas (FNB Gas) erarbeitet hat. Der Plan hat den Charme, dass er neben den reinen H₂-Pipelines auch viele bereits vorhandene (Erdgas-) Leitungen nutzen würde – das spart Kosten (Bild 1).

Nahziel:

100 Wasserstofftankstellen für Pkw

2030 könnte dieses Netz betriebsbereit sein. Zu den Endabnehmern des Wasserstoffs würden Tankstellen gehören (Bild 2). Ihre Planung und Errichtung ist Aufgabe des Konsortium H₂Mobility, in dem sich Autohersteller, Tankstellenbetreiber und Gaserzeuger zusammengeschlossen haben.

Das erste Ziel von H₂Mobility – der Betrieb von 100 Wasserstoffstationen für Pkw (d.h. für die 700 bar-Betankung) in sieben deutschen Ballungszentren und an den Autobahnen – ist nahezu erreicht, aktuell sind es 92. Wenn Nummer 100 eingeweiht wird, können mehr als sechs Millionen Autofahrer auf Wasserstoff umsteigen, ohne größere Umwege in Kauf nehmen zu müssen, und ein Brennstoffzellenfahrzeug als Alltagsauto wird interessanter. An sechs Stationen lassen sich Nutzfahrzeuge mit 350 bar auftanken.

Kälte beschleunigt Tankvorgang

Bei diesen Stationen und allen weiteren, die in den kommenden Jahren errichtet werden, ist Kältetechnik gefragt. Der Grund: Durch die (adiabate) Verdichtung des Wasserstoffs im Fahrzeugtank können unzulässig hohe Temperaturen entstehen.

Um diesem Effekt entgegenzuwirken, wird der Wasserstoff auf bis zu -40 °C gekühlt. Das hat einen weiteren Vorteil: Je kälter der Wasserstoff ist, wenn er aus dem lokalen Speicher in den Fahrzeugtank strömt, desto schneller kann getankt werden. Die Kühlung muss daher nicht nur zentral, sondern auch möglichst nah am Fahrzeug, d.h. an der Zapfsäule (dem Dispenser) erfolgen. Ergo: Ohne leistungsfähige (Tief-)Kältetechnik ist ein effizienter Betankungsvorgang nicht möglich.

Das Maß der Dinge: SAE J2601

Die zentralen Parameter der Betankung (Kraftstofftemperatur, Betankungsgeschwindigkeit, Enddruck …) sind in der SAE-Norm J2601 festgelegt. Die durchschnittliche Durchflussmenge bei der Pkw-Betankung an öffentlichen Tankstellen beträgt ca. 30 g/s, das Maximum 60 g/s.

Bei den (meist privat betriebenen) H₂-Tankstellen für Lkw, Busse und Züge sind Durchflussmengen von 80 bis 120 g/s üblich. Allerdings genügt es hier in den meisten Fällen, wenn die Betankung in einem gegenüber der Pkw-Betankung deutlich verlängerten Zeitraum erfolgt. Aber auch hier findet in der Regel eine Kühlung des Wasserstoffs statt. Grundsätzlich kann man sagen: Je kälter, desto besser.

Was die – für die Kältetechnik entscheidende – Wasserstofftemperatur beim Betanken betrifft, unterscheidet die Norm drei Kategorien: T20, T30 und T40, wobei T40 einer Temperatur von -40 °C entspricht. Diese Kategorie definiert letztlich auch die Betankungsgeschwindigkeit. Das bedeutet: Man benötigt eine Tiefkälteanlage, um den Wasserstoff (der aktuell noch nicht aus der Leitung kommt, sondern in einem Flaschenlager auf dem Tankstellengelände bevorratet wird) auf das gewünschte Temperaturniveau zu bringen. Grundsätzlich kann man auch hier sagen: Je kälter, desto besser.

Bei einer Wasserstofftemperatur von -40 °C kann der Tank innerhalb von drei bis fünf Minuten genug komprimierten Wasserstoff (bis zu 10 kg) aufnehmen, um auf einen Füllstand von 95 bis 100 % zu kommen. Je nach Fahrzeug und Tankvolumen beträgt die Reichweite dann 500 bis 700 km. Die bei der Elektromobilität oft gefürchtete „Reichweitenangst“ gibt es beim Brennstoffzellenantrieb also nicht.

Direktverdampfung oder Zwischenkühlung?

L&R hat bereits umfassendes Know-how bei der Auslegung und Projektierung von Kälteanlagen für H₂-Tankstellen gesammelt – bei privaten und öffentlichen Tankstellen in Deutschland, Frankreich, England und Spanien. Grundsätzlich kommen dabei zwei unterschiedliche Konzepte zur Anwendung. Das Betankungsprofil entscheidet letztlich darüber, welches der beiden Konzepte genutzt wird.

Bei öffentlichen H₂-Tankstellen mit größerem und diskontinuierlichem Bedarf an Wasserstoff bewährt sich das Prinzip der Direktverdampfung bzw. Durchlaufkühlung. Die Kälteanlage (die entsprechend groß dimensioniert sein muss) kühlt dann direkt und bedarfsgerecht den Wasserstoff über einen H₂-Wärmetauscher.

Wenn es sich um eine Tankstelle handelt, die nur zu bestimmten Zeiten oder eher unregelmäßig frequentiert wird, ist es wirtschaftlicher, wenn die Abkühlung des Wasserstoffs durch einen „Energiespeicher“ in Form von tiefkalter Spezialflüssigkeit erfolgt. Dieser Speicher wird in den Tankpausen von der Kältemaschine aufgeladen. Hierfür benötigt man einen Zwischenkreislauf. Die Technik ist also aufwändiger, dafür kann aber eine Kälteanlage mit kleiner Leistung gewählt werden, was einen deutlichen Preisvorteil zur Folge hat.

Welches Kältemittel ist geeignet?

Bei der Wahl der Kältemittel ist der Anlagenhersteller bzw. der Tankstellenbetreiber nicht festgelegt. L&R hat für diesen Anwendungsfall u.a. Kälteanlagen mit R449A realisiert – einem Low-GWP-HFO-Blend (HFO = Hydrofluoroolefin); bei den Zwischenkreisanlagen kommt zusätzlich eine Salzsole auf Kaliumformiatbasis zum Einsatz.

Als weitere Option bieten sich natürliche Kältemittel an, zumal es sich hier um Anwendungen mit dem Anspruch der Nachhaltigkeit und des Klimaschutzes handelt. Aus Sicht von L&R ist dann CO₂ das Kältemittel der Wahl. Sein Eigenschaftsprofil passt geradezu perfekt zu den kältetechnischen Anforderungen an die Wasserstoffbetankung, und L&R hat bereits CO₂-Tiefkälteanlagen für diverse Anwendungsfälle realisiert. In der Lebensmittel- und Supermarktkühlung ist das Kältemittel CO₂ nicht mehr wegzudenken. L&R bietet diese Möglichkeit nun auch für industrielle Bereiche an.

Nicht nur für Brennstoffzellen-

Fahrzeuge

Wie schnell sich dieser Markt entwickelt und wieviel Brennstoffzellen-Fahrzeuge im Jahr 2025 oder 2030 auf Deutschlands Straßen unterwegs sein werden, ist noch offen. Fest steht: Die entsprechende Infrastruktur wird nun aufgebaut. Zahlreiche weitere öffentliche Wasserstoff-Tankstellen befinden sich in Planung und im Bau. Noch rascher entwickelt sich der Bedarf an privaten Tankstellen, die z.B. von Verkehrsbetrieben und Logistik­unternehmen genutzt werden.

Und: Wenn man von Wasserstoff als Kraftstoff spricht, muss man nicht zwangsläufig Brennstoffzellenantriebe meinen. Verbrennungsmotoren lassen sich ebenfalls mit Wasserstoff betreiben. BMW hat jahrelang eine H₂-Versuchsflotte betrieben, die Aktivitäten allerdings zugunsten von Elektro- und Brennstoffzellenantrieben eingestellt. Aber Toyota hat kürzlich erst einen wasserstoffbetriebenen Rennsportmotor vorgestellt, und MAN einen Lkw mit H₂-Verbrennungsmotor. Und der Motorenhersteller Deutz präsentiert mit dem Protoypen des Sechszylinder-Reihenmotors TCG 7.8 H₂ einen Wasserstoff-Motor für mobile Arbeitsmaschinen, der in Kombination mit elektrischen Antrieben in unterschiedlichen Hybridkonfigurationen einsetzbar ist.